台阵地震计程控化正弦标定系统设计

郭 磊 白珊珊 李从庆 轩倩倩

（中国郑州 450003 中国地震局地球物理勘探中心）

0 引言

随着我国防震减灾事业的发展，地震计在地震观测、监测等领域的应用越来越广泛，例如：中国地震科学台阵探测项目、中国地震局“一带一路”地震监测台网项目、“透明地壳”超密集地震台阵探测系统建设项目等。但是，当观测环境复杂时，地震计会受到影响，从而导致仪器特性发生变化，降低地震计使用性能以及地震观测数据的质量（王晓蕾等，2012；许卫卫，2018）。为检验地震计仪器特性是否满足使用要求，进而提高地震计标准化管理水平，应进行周期性标定。中国地震局地球物理勘探中心（下文简称物探中心）负责管理中国地震局800 套台阵地震计（宋丽莉等，2012），采用振动台标定（Bormann，2002）与电标定（李海亮，2000；周云耀等，2006）结合法（即抽检少量地震计采用振动台法标定，大量地震计采用电标定法标定）来进行地震计标定，任务繁重。电标定通过特定数采完成，但存在标定点频率值固定、标定过程程控化较低、标定结果处理时间较长等问题。因此，提出一种适用于台阵地震计的程控化正弦标定系统，在进行正弦标定时，可提供精度高、频带宽、稳定性好的信号源，利用台阵地震计内部的标定线圈，使用程控化方式对标定过程进行自动控制，采用24 位采集系统进行信号采集，并通过一定算法对数据结果进行自动计算及处理。该标定系统的设计内容主要包括标定测控仪及标定测控软件。通过对选定地震计的标定实验，证明该程控化正弦标定系统对于提高信源质量、缩短标定时长、提高标定效率具有显著效果，表明开展大批量台阵地震计电标定具有广阔前景。

1 物探中心台阵地震计标定现状

物探中心管理的800 套台阵地震计主要用于中国地震科学台阵探测项目，其标定采用振动台标定与电标定结合的方法。

振动台标定法原理是，在外部将标准振动台检定装置产生的激励施加给地震计，采集激励信号的振级、频率和地震计响应信号，经数据处理获得地震计标定参数，如灵敏度、寄生共振频率和横向抑制比（袁松湧等，2010）。振动台标定法具有完整的量值传递与量值溯源传递链，广泛应用在法定计量检定机构所开展的检定或校准工作中，但经济成本和时间成本较高（林湛等，2013）。地震计标定时间受待标定频点数量和频点特性影响较大，频点数量越多，频点频率越低，标定时间越久。如：一台甚宽频带地震计工作频带120 s—50 Hz，测量12 个频点，每个频点处测量3 次，标定时间约需6.0 h，其中处于低频段（1 Hz 以下）的频点，标定时间约4.0 h。因此，利用振动台法标定台阵地震计一般采用抽检方式进行。

电标定法原理是，在地震计进入稳态状态后，将特定的标定信号，如正弦信号、阶跃信号、白噪声信号等作为激励信号，接入地震计标定回路，标定线圈上电，推动摆锤运动，得到地震计响应输出信号。电标定法通常经一些数采实现标定功能。这些数采中内置信号发生器，可提供特定的标定信号；数采中的信号采集模块，可实现标定信号与地震计响应输出信号的实时采集；与数采配套的软件，可进行标定结果的分析与处理。物探中心台阵地震计选用Refteck 130/130s 型和Guralp CMG-DM24 型数据采集器作为配套数采，但进行正弦标定时存在以下问题：使用Refteck 130/130s 型数采标定时，标定频率在1—100 Hz 范围内有10 个可选频点，对于频带较宽地震计，无法满足标定频带要求；使用CMG-DM24 型数采标定时，标定频率范围满足地震计标定要求，但程控化较低，结果处理时间较长。

2 程控化正弦标定研究

2.1 程控化正弦标定系统

台阵地震计标定系统由标定测控仪、台阵地震计、通信线路、标定测控软件共同搭建而成，其中标定测控仪主要由通信接口、信号源模块、采集模块、控制模块、电源模块等组成。针对物探中心台阵地震计电标定存在的问题，研究适用的标定测控仪，搭建标定系统。

2.2 标定测控仪

为应对特定区域、特定环境下的标定任务，如野外地震观测、台站地震观测标定等，提高标定效率，标定测控仪应具有一定实用性和功能性。标定测控仪的实用性主要指使用便携性和操作便捷性。标定测控仪应具有一定轻便性，方便携带。为此，外形尺寸设定为40 cm×25 cm×10 cm，整机重量＜5 kg。经测试，满足便携性要求。标定测控仪的操作按键、旋钮应简单化，与地震计的运行状态应可视化。为此，仅设置掉电开关及地震计标定回路开启关闭按键。在测控仪上设置掉电指示灯、地震计摆锤状态指示灯、地震计标定状态指示灯，可保证标定测控仪和地震计运行状态可视化。

标定测控仪具有通信、供电、发标定、采集和控制等功能。具体功能如下：①通信功能：需实现标定测控仪与地震计、计算机软件之间的通信。通过设置26 脚航空插头，可实现地震计专用摆线与地震计之间的实时通信。通过设置USB 3.0 接口，可实现USB 连接线与计算机软件之间的实时通信；②供电功能：通过开关电源，将AC 220 V（市电）转为DC 12 V、DC 5 V、DC ± 15 V（直流电），为地震计、信号源模块、采集模块、控制模块等供电；③发标定功能：信号源模块产生的标定信号频带，需全覆盖台阵地震计工作频带。标定测控仪可提供频率范围为0.000 1 Hz—1 kHz 的标准信号，其电压输出幅值为-10—10 V，输出波形失真度≤0.05%；④采集功能：采集标定信号和地震计输出信号。标定测控仪共设置4 个信号采集通道，分别对应标定信号及地震计3 个分向的信号，可采集-10—10 V 范围的电压输入，最大采样率为100 kHz，24 位分辨率；⑤控制功能：为标定过程控制提供可靠的硬件支持。控制模块采用FPGA 主芯片EP2C8T144C8N，负责联系和控制测控仪各部分协调工作，完成模数、数模转换功能及I/O 输入输出功能。

2.3 标定测控软件

标定测控软件采用LabVIEW 程序编写。LabVIEW 是NI 公司推出的上位机图形化编程软件。软件采用G 语言开发，具有不错的开发效率和运行效率。

标定测控软件含4 个运行界面：启动界面、用户输入界面、测试界面、数据存储界面。启动界面是软件的开启界面，界面内容包括标定测控软件的名称、开发单位、进入下一级界面的指令和软件退出指令。用户输入界面以对话框形式邀请用户进行信息录入，录入信息分为基本信息和标定信息。基本信息包括仪器型号、生产厂家、测试地点、温湿度，工作频带和说明信息；标定信息包括地震计各分向线圈常数、标定信号频率、电压值。测试界面包括波形显示框、标定参数框、标定进度条框和标定数据框。波形显示框可显示标定信号及地震计各分向输出信号的实时波形；标定参数框可显示用户设置的标定信号的频率、电压值和测量次数；标定进度条框可显示当前标定过程的进度状态；标定数据框可显示标定后地震计各分向灵敏度计算结果。数据存储界面可将标定测试数据以Excel 文本格式进行保存，保存的数据信息包括标定测试时间、用户录入的基本信息和标定测试结果信息，数据信息量完整，可作为标定测试的原始数据。

标定测控软件具有高程控化特点，用户只需在输入界面输入相应信息，便可对标定测控仪进行闭环控制，操作流程得以简化，便于用户使用。

2.4 标定数据处理

计算台阵地震计灵敏度，所需参量包括：标定信号的频率、输入电压、地震计的标定内阻、线圈常数、输出电压。其表达式可记为

式中：S为灵敏度；f为频率；R为标定内阻；K为线圈常数；Vo为地震计输出电压；Vi为标定信号的输入电压。

台阵地震计具有3 个分向，每个分向的灵敏度表达式可以记为

式中：SU、SN、SE分别为地震计垂直向（UD）、南北向（NS）、东西向（EW）灵敏度；KU、KN、KE分别为垂直向（UD）、南北向（NS）、东西向（EW）线圈常数；VU、VN、VE分别为地震计垂直向（UD）、南北向（NS）、东西向（EW）输出电压；Vi为标定信号输入电压。

根据不同频点（f1，f2，f3，...，fn）对应的灵敏度数值（S1，S2，S3，...，Sn），绘制地震计幅频特性曲线。

3 程控化正弦标定结果

3.1 测试方案

采用程控化正弦标定系统，开展台阵地震计标定测试。测试对象为2 台近期经中国计量科学研究院超低频振动台校准的同型号台阵地震计，出厂编号分别为T37662 和T37893，工作频带为120 s —50 Hz，单端输出标称灵敏度为1 000 mV/（mm/s）。将待标定地震计放置于振动台基座上（振动台基座建立在山体基岩上，且四周采取隔振措施），以降低外部环境干扰，提高标定测试的数据质量。选取测试对象校准证书所示12 个频率点开展标定测试，在每个频点处进行3 次测量后取平均值，记录标定时长与标定流程，与物探中心台阵地震计当前标定结果进行对比，就标定的时间和效率指标，评估程控化标定系统效果，并与振动台法所测校准结果进行灵敏度及幅频特性结果的比较。

3.2 测试结果

程控化标定系统在缩短台阵地震计标定时间和提高标定效率方面效果显著。采用程控化正弦标定系统，按照既定测试方案开展测试并记录，每台被测台阵地震计的标定时长约60 min，与采用振动台法的标定时间相比，有大幅缩减。与通过常用配套数采进行的电子标定相比，程控化正弦标定的频点全覆盖地震计工作频带，标定过程由程序控制，待地震计进入稳态后，用户只需在标定输入界面中输入相应参数，即可由程序执行标定任务，并获取标定结果。据地震计生产厂家提供的技术资料，程控化正弦标定系统与其提供的传递函数基本一致。

（1）程控化标定测试与振动台法校准结果对比。采用程控化正弦标定，分析地震计T37662、T37893 的幅频特性，与振动台校准结果进行对比，见表1、表2，可见程控化正弦标定结果具有良好的数据准确性。为直观对比2 种方法的标定效果，以UD 向为例，绘制程控化正弦标定测试与振动台校准幅频特性曲线，结果见图1，可见在10 Hz 以下低频段，2 条曲线重合度较高。

图1 T37662 地震计UD 向幅频特性曲线对比Fig.1 The vertical direction comparison of amplitude-frequency characteristics of seismometer T37662

由表1、表2 可见，在1 Hz 频点处，地震计T37662 的NS 向程控化正弦标定测试灵敏度与振动台校准灵敏度偏差为1.9%，EW 向灵敏度偏差为0.94%，UD 向灵敏度偏差为0.57%；地震计T37893 的NS 向程控化正弦标定测试灵敏度与振动台校准灵敏度偏差为0.48%，EW 向灵敏度偏差为1.11%，UD 向灵敏度偏差为1.05%。

表1 地震计T37662 幅频特性结果对比Table 1 Comparison of amplitude-frequency characteristics of seismometer T37662

表2 地震计T37893 幅频特性结果对比Table 2 Comparison of amplitude-frequency characteristics of seismometer T37893

（2）程控化正弦标定与常用配套数采电标定结果的对比。程控化正弦标定所得结果与通过Refteck 130s 型数采或Guralp CMG-DM24 型数采进行的电标定结果具有良好一致性。文中以2 种数采分别在1 Hz 频点的标定结果为例，分别将标定信号的频率、输入电压、地震计的标定内阻、线圈常数、输出电压代入公式（1），计算可得地震计各分向在1 Hz 频点的灵敏度，结果见图2、图3，其中图2 为通过Refteck 130s型数采在1 Hz 频点的电标定结果，图3 为通过Guralp CMG-DM24 型数采在1 Hz 频点的电标定结果。

图2 Refteck 130s 型数采1 Hz 频点电标定结果Fig.2 Electrical calibration results of 1 Hz for Refteck 130s data collector

图3 Guralp CMG-DM24 型数采1 Hz 频点电标定结果Fig.3 Electrical calibration results of 1 Hz for Guralp CMG-DM24 data collector

经计算，在1 Hz 频点处，程控化正弦标定所得参考灵敏度与通过Refteck 130s 型数采或Guralp CMG-DM24 型数采所得结果偏差均在2%以内，具有较好的一致性。

4 结束语

研究设计程控化标定测控仪及对应的标定测控软件，并将二者结合搭建标定系统，从而实现了适用于台阵地震计的程控化正弦标定。相比振动台标定方法或通过常用配套数采进行的电子标定方法，利用程控化正弦标定方法进行标定，在缩短台阵地震计标定时长，提高台阵地震计标定效率方面具有显著效果。由程控化正弦标定测试结果可知，在10 Hz以下频点，其标定灵敏度具有不错的重复度和精度。因此，在密集台阵系统中，利用程控化正弦标定方法进行台阵地震计标定，具有一定可行性。